کاربردهای لیزر: گالوو اسکنرها در میکرو ماشین­کاری لیزری، به نرخ تکرار پالس در بازه مگاهرتز رسیدند
بیشینه کردن راندمان سایش و انتخاب صحیح قلة شار، منجر به توان عملیاتی عالی و فرآیند ماشین­کاری لیزری با کیفیت بالا می­شود.
کاربردهای لیزر: گالوو اسکنرها در میکرو ماشین­کاری لیزری، به نرخ تکرار پالس در بازه مگاهرتز رسیدند.
 
بیشینه کردن راندمان سایش و انتخاب صحیح قلة شار، منجر به توان عملیاتی عالی و فرآیند ماشین­کاری لیزری با کیفیت بالا می­شود.
در دسترس بودن لیزرهای دارای پالس فوق کوتاه (USP؛ بعنوان فوق سریع نیز شناخته می­شوند)، که امکان ماشین کاری بسیار دقیق را فراهم می‌کنند، موجب گسترش قابلیت‌های ماشین کاری لیزری شده است. اگرچه، در هنگام بهینه سازی ظرفیت بالا و فرآیند ماشین کاری لیزری با کیفیت بالا با بکارگیری لیزرهای USP، فاکتورهای جدیدی را باید در نظر گرفت. نخست، راندمان سایش (به معنای نرخ ویژة برداشت بر حسب میلی متر مکعب بر دقیقه و وات) باید بیشینه شود .بویژه، برای دستیابی به کیفیت سطح خوب، شار حداکثری باید به درستی انتخاب شود.
 
افزایش انرژی پالس و اندازه نقطه
ساده ترین رویکرد برای افزایش نرخ سایش بر حسب حجم بر زمان افزایش متوسط توان است. با این حال، برای حفظ بالاترین کیفیت ماشین کاری، باید توان میانگین همراه با نرخ تکرار پالس لیزر یا مساحت سطح تحت سایش افزایش یابد تا بیشینه شار لیزری در نقطه بهینه حفظ شود. بعلاوه، کیفیت ماشین کاری خوب نیاز به فاصله پالس به پالس (به اصطلاح گام نامیده می­شود) دارد که در محدوده نیم تا یک شعاع لکه لیزر است بعبارت دیگر همپوشانی پالسی در حدود 75% باشد. برای گام p و شعاع لکهw0 ، همپوشانی o عبارتست از:

بازه عملکرد در شرایط نرخ­های تکرار پالس برای سیستم­های لیزری USP در دسترس کنونی، در محدوده تک رقمی مگا هرتز است. در نتیجه، سرعت­های بسیار بالای اسکن برای حفظ همپوشانی پالسی بهینه مورد نیاز است. شکل 1 سرعت­های اسکن محاسبه شده برای شعاع نقطه ای w0=6μm و نرخ­های تکرار تا freq=10 MHz را نشان می­دهد.

 
شکل 1: محدودیت­های سرعت اسکنرهای گالوانومتری در طرح های مختلف نشان داده شده­اند.
 
راه اندازی تست و نتایج اولیه
سیستم لیزری استفاده شده مدل Fuego از Lumentum (محصولات Time-Bandwidth سابق؛ Milpitas, CA) است که پالس­های ps10 ایجاد می­کند. نور لیزر از میان یک تیغه ربع موج λ/4 که قطبش دایره­ای ایجاد می­کند، عبور کرده و سپس از طریق چهار آینه به دیافراگم اسکنر هدایت می­شود. یک پرتو گستر در مقابل اسکنر نصب می­شود.
آزمایشات در طول موج 532 نانومتری تولید همساز دوم (SHG) با استفاده از شیئی متمرکز کننده با فاصله کانونی 100 میلی متر که منجر به لکه‌ ای به شعاعw0=6.2μm  و (m2) کیفیت پرتو بهتر از 1/ 1انجام شدند. (هر دو مقدار با یک پروفایلر باریکه اسکن شکاف اندازه گیری شده است.)
برای آزمودن دقت سیستم اسکنر جدید، یک تراشه سیلیکونی جلا داده شده به عنوان ماده نمونه استفاده شد. افزایش فرآیند سایش بر روی فولاد ضد زنگ 4301/1 (یا در استاندارد ایالات متحده، AISI 304) با آستانه شار J/cm2 064/0، منجر به حداکثر شار لیزر بهینه J/cm2 47/0 می­شود. مشاهدات مربوط به سایش در این حداکثر شار لیزر صورت گرفت.
سیستم گالوو اسکن مورد استفاده در آزمایشات،SCANLAB's intelliSCANse 10  بود. در یک حلقة بسته دیجیتالی کنترل به روش PID، موقعیت آینه­ دو موتور گالوانومتر برای دو محور اسکن با استفاده از اطلاعات موقعیت فراهم شده توسط رمزگذاری­ دیجیتال نوری مبتنی بر تکنولوژی انحراف-خطا (SE)، کنترل میشود. استفاده از رمزگذاری­های دیجیتالی اجازه خطی سازی بهتر مقیاس زاویه را می­دهد که برای توزیع یکنواخت پالس­های لیزر در طول مسیر اسکن ضروری است.
برخلاف رمزگذارهای معمول موقعیت زاویه­ای که متکی بر مقیاس دیسک متصل شده به انتهای محور اسکنر گالوانومتر هستند، رمزگذار SE مجهز به یک آینه کوچک است که پرتو نوری را منحرف می­کند. در حالیکه محور اسکنر در حال چرخیدن است، پرتو نور در سراسر مقیاس ثابتی اسکن می­شود. با بهره­گیری از اینرسی پایین و کیفیت بالای سیگنال این طرح رمزنگار، اسکنرهای گالوانومتر دقت و عملکرد پویا را حتی در سرعت­های اسکن بسیار بالاتر از بازه معمول سرعت­های قابل دستیابی با تکنولوژی گالوانومتر حفظ می­کنند.
معمولاً، متغیرهای کنترل موقعیت PID حلقه بسته باید در دینامیک مطلوب برای یک اسکنر گالوانومتر تنظیم شوند. برای دوری از رفتار ناپایدار کنترل موقعیت PID حلقه بسته، یک موازنه بین دینامیک (پهنای باند) و بیشینه سرعت عملکرد اسکنر ایجاد می­شود.
برای انجام آزمایشات گزارش شده، تنظیم خاصی انجام شد تا شرایط دستیابی به بالاترین میزان سرعت فراهم شود که سبب گذر از حد مجاز سرعت گالوانومتر به قیمت تغییرات در ورودی با موقعیت مکانی مسیر نامناسب بود. برای اجتناب از شتاب ‌گیری فراتر از دینامیک سیستم، در الگوریتم کنترل مسیرها باید به خوبی برنامه‌ریزی شوند. چون کنترل کننده PID عرض باند مشخصی دارد، سیستم اسکنر عاری از خطای ردیابی نیست که ممکن است دقت کلی سیستم اسکنر را در عمل محدود کند. عملکرد باید به صورت تجربی سنجیده شود. مسیرها با استفاده از نرم افزار تولید حرکت آنلاین Reflexxes Motion Libraries شرکت Reflexxes (Hamdorf، آلمان) طراحی شدند.
برای ارزیابی دقت سیستم اسکنر در سرعت­های بالا، الگوی مرجعی از حفره­ها با شرایط اسکنر ثابت ایجاد شد. در شکل 2، این الگو به عنوان پایین ­ترین خط در تصویر قابل مشاهده است.


 
شکل 2: آرایشی از حفره­ها (a) که با سرعت اسکنر 6 متر بر ثانیه و نرخ تکرار  frepمعادل 285 کیلوهرتز تولید شده و منجر به فاصله پالس 21 میکرومتر شده است. پایین­ ترین خط الگوی مرجع با فاصله پالس 21 میکرومتر و حداکثر انحراف کمتر از 1 میکرومتر است. آرایش دیگری از حفره­ها (b) که با سرعت اسکنر 25 متر بر ثانیه و نرخ تکرار  frepمعادل 2 مگاهرتز تولید شده و منجر به ایجاد فاصله پالس 5/12 میکرومتر (25 میکرومتر در خط مرجع) شده است. سیستم اسکن intelliSCANse با تکنولوژی رمزنگار دیجیتالی (شکل بالا) برای ایجاد این آرایش­ها استفاده شد.
سرعت اسکن 6 متر بر ثانیه و نرخ تکرار 285 کیلوهرتز منجر به فاصله پالس 21 میکرومتری شد (شکل 2a را مشاهده کنید). هیچ انحراف قابل رویتی در موقعیت حفره­ ها از آنچه در خط مرجع بود، وجود ندارد. در شکل 2b سرعت اسکن به 25 متر بر ثانیه افزایش یافت و نرخ تکرار در 1/2 مگاهرتز تنظیم شد. فاصله پالس به دست آمده 5/12 میکرومتر است و بیشینه انحراف موقعیت حفره­ ها از حفره­ های خط مرجع معادل با 5 میکرومتر قابل مشاهده است.
این نتایج نشان می­دهد که سرعت اسکن 25 متر بر ثانیه با دقت بالا، در حالیکه شرایط عملکرد لیزر را در رژیم مگاهرتزی فراهم می­کند، می­تواند به دست آید.
 
افزایش نرخ تکرار
شکل 3 سطح و ساختار سه بعدی یک الگوی پوست کوسه ­ای را که در نرخ تکرار 2 مگاهرتز و سرعت اسکن 6 متر بر ثانیه ایجاد شده را نشان می­دهد. افزایش توان عملیاتی به معنای زیاد شدن متوسط توان برای دستیابی به نرخ سایش بالاتر است. همچنین افزایش متوسط توان با استفاده از انرژی­ پالس بالاتر منجر به کیفیت بد سطح به خصوص در فولاد ضد زنگ می­شود. بنابراین، حداکثر شار لیزر بهینه با افزایش همزمان متوسط توان و نرخ تکرار پالس لیزر، حفظ می­شود.


 
شکل 3: یک ساختار پوست کوسه­ای (تصویر بالا) با استفاده از پارامترهای زیر ایجاد شد: Pav=0.57W، frep=2MHz و υscan=6m/s (طول موج 532 نانومتر، w0=6.2μm). تصاویر میکروسکوپ الکترون پویشی (SEM) (تصویر پایین) کیفیت سطح ساختارها را که به صورت یک سویه ماشین کاری شده­اند را نشان می­دهد. آشکارساز SE2، 2 مگاهرتز (a-c) و 1/4 مگاهرتز و 2/8 مگاهرتز (d-f). آشکارساز درون لنزی 2 مگاهرتز، 1/4 مگاهرتز و 2/8 مگاهرتز را نشان می­دهد.
آزمایش در حالت­های اسکن­ یک سویه و دو سویه انجام شد. نرخ سایش ویژه به دست آمده (ماده حذف شده بر واحد زمان و میانگین توان) متأثر از حالت اسکن بکار گرفته شده، نیست. کیفیت سطح برای بالاترین نرخ تکرار لیزر استفاده شده معادل 2/8 مگاهرتز، خوب است. تنها افزایش کوچکی در کرم­ ها و قطرات کوچک ذوب شده می­توان دید و هیچ اختلافی بین دو حالت اسکن وجود ندارد. این نتایج منجر به این استنتاج می­شود که فرآیند سایش می­تواند بدون هیچ اثر منفی در شرایط و پارامترهای اشاره شده به رژیم مگاهرتزی، افزایش مقیاس داشته باشد.
 
الگوریتم­های کنترل اسکن جدید
در حالیکه روش­های اعمال شده در مشاهدات در مقایسه با سیستم­های گالوو-اسکنر افزایش چشمگیری در راندمان را نشان می­دهند، اما این افزایش به قیمت از دست دادن انعطاف پذیری است. تا کنون تنها ناحیه فرآیندی مستطیل شکل محقق شده است، در هندسه ­های مختلف فرآیندی، برای دستیابی به دقت مطلوب، متغیرها باید به دقت تنظیم شوند و برنامه نویسی پیچیده، قابلیت استفاده را محدود می­کند. بعلاوه، طول پیشرو مورد نیاز در پایدارسازی سرعت اسکنر به خصوص در خطوط کوتاه (ساختارهای کوچک) چرخه کاری را محدود می­کند.
در پاسخ به این کاستی، آزمایشات بیشتری که در آن­ها یک سر اسکن exelliSCAN مجهز به سیستم کنترل  SCANaheadاست، برنامه‌ ریزی شد. این تکنولوژی مبتنی بر الگوریتم کنترلی خطای ردیابی صفر است که مستقیماً در الکترونیک­ کنترل-اسکنر اجرا شده است.
در یک پنجره زمانی پیش نمایش 1 میلی ثانیه ­ای، فرمان­های موقعیتی دریافت شده از کنترل­های اسکنر به صورت خودکار پیش پردازش و بدون اثرات خطای ردیابی اجرا شدند. الگوریتم کنترلی برای دستیابی به پتانسیل کامل شتاب گالوو اسکن در هر سرعت اسکنی برای ایجاد زمان­های نشست بسیار سریعتر در جهت تثبیت سرعت اسکنر و در نتیجه توان عملیاتی بالاتر، بهینه می­شود. توابع کنترلی داخلی اتوماتیک و بازخورد موقعیت دقیق اصلاح شده در سرعت بالا، امکان برنامه نویسی فرآیندی پیچیده تر نظیر شکل­های غیر مستطیلی و ساختارهای کوچک­تر را فراهم می‌کند.
استفاده از نور مادون قرمز با طول موج بیشتر از 532 نانومتر اندازه حفره و بنابراین سطح سایش را بزرگتر خواهد کرد. از این رو، ماشین کاری با توان متوسط بالاتر منجر به استفاده کامل از توان ایجاد شده توسط لیزرهای USP امروزی خواهد شد. علامت گذاری با گالوو اسکنرها نسبت به زمان ماشین کاری با انتخاب سرعت اسکن مناسب برای فاصله علامت گذاری مورد نظر، می­تواند بهینه شود. همراه با این سرعت اسکن بهینه شده، چرخه کاری بیشینه که برای اسکن دو طرفه 50% بود نیز مشاهده شد. طول پیشرو مورد نیاز برای تثبیت سرعت اسکنر، چرخه کار را محدود می­کند بنابراین استفاده از یک الگوریتم کنترلی جدید که با این مشکل مقابله کند، توان عملیاتی را بیشتر خواهد کرد. سایر روش­ها برای غلبه بر این محدودیت نظیر توزیع پالس­های لیزر در گالوو هدهای متعدد را نیز باید در نظر داشت.
 
 
منبع :  laserfocusworld.com    |   

   |    1396/1/29